Resumão Biofísica de Membranas

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Prova de Biofísica
Fisiologia Celular
Princípio da Eletroneutralidade
Cada compartimento líquido do corpo deve obedecer ao princípio da eletroneutralidade macroscópica, no qual cada um desses compartimentos possui a mesma [cátions] e [ânions]. Mesmo na existência de DDP, o balanço de cargas é mantido, uma vez que essa DDP é criada por apenas algumas cargas adjacentes à membrana, não sendo suficiente para gerar alterações visíveis macroscopicamente.
Composição dos LEC e LIC
LEC: Muito Na+ e Ca2+, contrabalanceado por Cl- e HCO3-.
LIC: Muito K+, Mg2+, contrabalanceado por proteínas e fosfatos orgânicos.
Criação de diferenças de [] através de Membranas Celulares
A diferença na concentração de solutos através das membranas celulares é principalmente criada/mantida por mecanismos de transporte. Entre eles, temos a bomba de Na+K+ (gasto de atp), Ca2+ (gasto de atp), cotransporte de Na+ e H2O...
Essa diferença de [] é crucial para a manutenção de vários processos fisiológicos.
Criação de diferenças de [] entre o plasma e interstício
O líquido extracelular é composto pelo plasma e interstício. No plasma, existe uma maior concentração de proteínas plasmáticas, uma vez que os capilares são impermeáveis a essas proteínas. Essas proteínas são ânions. Sendo assim, pequenos ânions são menos concentrados no plasma do que no líquido intersticial (equilíbrio/proporção de Gibbs-Donnan).
Membranas Celulares
Composição e estrutura
	As membranas celulares possuem um componente lipídico e um componente proteico. O componente lipídico se diz respeito aos fosfolipídios, colesterol e glicolipídeos, sendo responsável pela permeabilidade da membrana para O2, CO2, hormônios esteróides e ácidos graxos. Já o componente proteico são proteínas de membranas, transportadores, canais iônicos, receptores, que promovem a entrada/saída de componentes lipofóbicos na célula, como por exemplo íons, glicose e aa.
	As membranas celulares são constituidas por uma bicamada fosfolipídica, com uma porção hidrofóbica e outra hidrofílica. É considerada, então, uma estrutura anfipática. Ressalta-se que as porções hidrofóbicas ficam voltadas para o meio externo e para o meio interno, enquanto a porção hidrofílica está entre as duas porções hidrofóbicas, não tendo contado direto com nenhum dos meios citados.
	Sobre a disposição das proteínas de membrana, elas são representadas em um modelo de mosaico fluido. Elas podem ser integrais da membrana (de um lado ao outro) ou periféricas da membrana (tem contato com apenas um dos lados da membrana).
Transporte através das membranas celulares
1) Difusão simples
	Passagem de soluto, pela membrana, a favor do gradiente de concentração, e sem gasto de energia metabólica e sem o uso de proteínas transportadoras. O movimento é aleatório e ocorre simplesmente porque as moléculas de soluto estão em constante agitação, sendo que o fluxo é maior do meio de maior concentração para o de menor concentração. A difusão efetiva ocorre até que os dois meios atinjam iguais concentrações de soluto. Nesse ponto, é importante ressaltar, que as moléculas continuam se movendo de um lado para o outro, porém em uma mesma taxa nos dois sentidos. Pode-se dizer que o fluxo resultante é nulo nesse caso.
	A fórmula associada a difusão mede o seu fluxo (J), e depende das variáves: gradiente de concentração, coeficiente de partição (alto = lipossolúvel. baixo = lipofóbico), coeficiente de difusão, espessura da membrana e a área da superfície disponível para difusão.
	Gradiente: força que "incentiva" a passagem de 	moléculas a favor do gradiente.
	Coeficiente de partição: quanto mais solúvel em 	óleo, maior será esse coeficiente, o que favorecerá 	a difusão (por causa da bicamada fosfolipídica).
	Coeficiente de difusão: depende da temperatura 	do meio, do raio molecular e da viscosidade do 	meio.
	Espessura da membrana: quanto maior a 	espessura, menor a taxa de difusão.
	Área superficial: quanto maior essa área, maior a 	taxa de difusão.
Palavra chave: permeabilidade.
Difusão facilitada
	A difusão facilitada depende do gradiente de concentração do soluto, mas conta com o uso de uma proteína transportadora. Essa proteína está sujeita a três características:
a) saturação: quanto mais aumenta a concentração de soluto, menos proteínas transportadoras estarão disponíveis (vazias) para receber mais soluto.
b) estereoespecificidade: as proteínas transportadoras podem ser seletivas quanto a estereometria da molécula.
c) competição: uma proteína transportadora de uma molécula pode ter afinidade com outra molécula semelhante, ocorrendo então uma competição entre as duas moléculas para serem transportadas.
	Em baixas concentrações de solutos, a difusão facilitada é mais rápida do que a difusão simples.
	Comparativamente falando, a difusão simples sempre irá ocorrer, contanto que haja um gradiente de concentração, enquanto a difusão facilitada é condicionada pela disponibilidade de proteínas transportadoras (além da presença do gradiente).
Transporte ativo primário
	Ocorre quando um soluto é transportado contra seu gradiente eletroquímico. Nesse caso, é necessário o gasto de energia em forma de ATP. Um exemplo desse transporte é a bomba de sódio e potássio, que está presente em todas as células.
Transporte ativo secundário: Cotransporte (sinporte)
	Ocorre quando dois solutos são transportados ao mesmo tempo. Nesse caso, um soluto se move a favor do gradiente eletroquímico e o outro se move contra. É um transporte sem gasto direto de ATP, mas sim indireto, que é suprido pelo gradiente de concentração de Na+ (molécula que se moveu a favor do gradiente). A principal característica desse transporte é que ambos os solutos se movem na mesma direção.
Transporte ativo secundário: Contratransporte
	Ocorre quando dois solutos são transportados ao mesmo tempo. Nesse caso, um soluto se move a favor do gradiente eletroquímico e o outro se move contra. É um transporte sem gasto direto de ATP, mas sim indireto, que é suprido pelo gradiente de concentração de Na+ (molécula que se moveu a favor do gradiente). A principal característica desse transporte é que os solutos se movem em direções contrárias.
Osmose
	Transporte de água do meio menos concentrado para o meio mais concentrado. Conceitos:
*Osmolalidade
*Osmolaridade (Osm)
*Pressão osmótica
*Tonicidade (pi)
*Hipotônica, Hipertônica, Isotônica.
Canais iônicos
Proteínas transmenbrânicas que, quando abertos, permitem a passagem de íons. Características:
*Seletividade: baseada na dimensão do canal e nas cargas que os revestem. Os canais revestidos por cargas negativas permitem a passagem de cátions, mas não de ânions e vice-versa.
*Controle por comportas: abertura ou fechamento dos canais. Quando abertos, os íons se difundem de acordo com o gradiente de concentração. Se o canal estiver fechado, os íons não fluirão por ele, independentemente da intensidade do gradiente eletroquímico.
*Condutância ou permeabilidade: depende da probabilidade de estar aberto.
Como aumentar a permeabilidade de um canal?
*aumentando o tempo que fica aberto;
*aumentando a condutância de cada canal;
*aumentando o número de canais abertos.
As comportas de canais iônicos são controladas por três tipos de sensores:
*Canais voltagem-dependentes: controlados por alterações no potencial de membrana. Ex.: canais de sódio participantes na transmissão do impulso nervoso. As comportas de ativação e inativação são controladas pela despolarização da membrana, mas a comporta de ativação é mais rápida que a de inativação. Essa diferente influi na forma e decurso temporal do potencial de ação.
*Canais dependentes de segundo-mensageiro: comportas controladas pelos níveis de moléculas sinalizadoras intracelulares, como AMPc e IP3 (endócrino), estando os sensores voltados para o lado intracelular dos canais. Ex.: canais de Na+ no nodo sinusal cardíaco, abertos por aumento de AMPc ciclico intracelular.
*Canais ligante-dependentes: comportas controladas por hormônios e neurotransmissores. Ex.: receptor nictínico na placa motora, que age naabertura de um canal iônico pemeável a Na+ e K+ pela ação de Acetilcolina (ACh).
Potencial de Difusão
É a diferença de potencial gerada através da membrana quando um íon se difunde seguindo seu gradiente de concentração. Esse potencial só é gerado caso a membrana seja permeável àquele íon. A força propulsora, nesse caso, depende do gradiente de concentração, e cresce a medida que tal gradiente é mais intenso. Por último, é uma grandeza da ordem de mV, e o sinal depende da carga do íon envolvido. 
Obs.: é um potencial gerado pelo movimento de poucos íons, não gerando alterçaões significativas na concentração iônica da solução.
Potencial de Equilíbrio
Uma vez que o íon se difunde, a difusão efetiva vai perdendo velocidade, até o ponto em que é interrompida. O potencial de equilíbrio, então, se opõe à tendência de difusão do íon, e quando os valores se equiparam (influxo = efluxo), dizemos que ocorre o equilíbrio eletroquímico. No equilíbrio eletroquímico, as forças propulsoras químicas e elétricas atuantes sobre o íon são iguais e opostas, e não mais ocorre difusão efetiva (mas, ainda sim, observa-se fluxo, em sentidos opostos e na mesma intensidade). 
Obs.: a medida que um íon se difunde, sua concentração aumenta no destino, fazendo com que aumente a repulsão de íons pela igualdade das cargas. Na verdade, o potencial de equilíbrio é atingido quando as forças difusivas são equivalentes às forças repulsivas, criando um fluxo resultante nulo.
Equação de Nertz
Ex = -2,3RT/zF . log10[Ci]/[Ce]
Ex = potencial de equilíbrio (mV)
2,3RT/F = constante (60mV a 37°)
z = carga do íon (Na = +1; Ca = 2+...)
Ci = concentração intracelular.
Ce = concentração extracelular
Força Motriz
força motriz efetiva (mV) = Em - Ex
Em = Potencial de membrana real (medido)
Ex = Potencial de equilíbrio do íon
Obs.: para entender o conceito que será explicado a seguir, ter em mente que o íon "quer que o potencial de membrana tenha um valor equivalente ao seu potencial de equilíbrio". O íon sempre vai tender ao equilíbrio. Sendo assim, a força motriz será o que levará aquele íon ao equilíbrio eletroquimico. Para isso:
Força motriz < 0
Potencial de membrana < potencial de equilíbrio
Caso cátion, o íon entrará na célula
Caso ânion, o íon sairá da célula
*Para entrar em equilíbrio eletroquímico, é necessário que o potencial de menbrana seja equivalente ao potencial de equilíbrio. Por isso, quando o potencial de membrana é mais negativo que o potencial de equilíbrio: caso seja cátion entrará na célula para tentar equilibrar e caso seja ânion sairá da célula para equilibrar.
Obs.: esse fluxo leva em consideração que a parede interna da membrana é mais positiva em relação à parede externa.
Força motriz > 0
Potencial de membrana > potencial de equilíbrio
Caso cátion, o íon sairá da célula
Caso ânion, o íon entrará na célula
*Para entrar em equilíbrio eletroquímico, é necessário que o potencial de menbrana seja equivalente ao potencial de equilíbrio. Por isso, quando o potencial de membrana é mais positivo que o potencial de equilíbrio: caso seja ânion entrará na célula para tentar equilibrar e caso seja cátion sairá da célula para equilibrar.
Obs.: esse fluxo leva em consideração que a parede interna da membrana é mais positiva em relação à parede externa.
Força motriz = 0
Potencial de membrana = potencial de equilíbrio
Situação ideal para o íon. Estado de equilíbrio eletroquímico.
Corrente Iônica
É o fluxo de íons através da membrana celular, por meio de canais. Para que ocorra corrente iônica, é necessária a existência de uma força motriz no íon e que o canal tenha condutância para esse íon, estando aberto (permeabilidade).
Ix = Gx (Em - Ex)
Ix = Corrente iônica (mAmps)
Gx = Condutância iônica (1/ohms)
Em = Potencial de membrana medido (mV)
Ex = Potencial de equilíbrio do íon (mV)33
G = 1/R (condutância = inverso da resistência. Quanto maior a condutância ou permeabilidade, menor a resistêcia e vice-versa)
A direção da corrente iônica é a guiada pela direção da força motriz. Se a condutância for ou força motriz forem 0, não ocorre difusão de íons através da membrana e nem fluxo de corrente.
Outras Fórmulas
V = IR
I = V/R (quanto maior a resistência, menor a corrente)
I = GV >>> I = GIR >>> G = I/R (quanto maior a resistência, menor a corrente)
Probabilidade de abertura de um canal:
Condutância/condutância máxima
0 = não abre o canal
1 = todos se abrem 
*Analisar a relação entre as fórmulas.
Ex.: quanto maior a corrente, menor resistência.
Potencial de Membrana em Repouso
A desigualdade na distribuição de íons entre os compartimentos intracelular e extracelular gera uma DDP (diferença de potencial), estabelecendo na membrana celular um potencial de membrana ou de repouso de -70mV a -80mV. Essa distribuição será responsável por criar um meio intracelular mais "negativo" em relação ao meio extracelular, e será uma condição importante que determinará o fluxo de íons entre os compartimentos.
A contribuição de cada íon para o estabelecimento do potencial de repouso é calculada pela equação de condutância de corda. Os íons com maior condutância levam o potencial de mebrana para mais próximo do seu potencial de equilíbrio.
Ressalta-se que, em casos de canais permeáveis tanto a K+ quanto a Na+, o Na+ se difunde com maior rapidez. Isso ocorre porque sua força motriz é maior do que a do potássio, que é praticamente nula. Porque?
R.: O potencial de equilíbrio do Na+ > 0. O potencial de membrana é -70mV. Sendo assim, a fim de chegar ao equilíbrio, vai tentar tornar o potencial de mebrana mais próximo do seu potencial de equilíbrio. Dessa forma, o sódio irá entrar na célula, uma vez que é um cátion e o interior celular é mais negativo em relação ao exterior. Já o potássio, que possui um potencial de equilíbrio próximo ao potencial de membrana, possui uma força motriz praticamente nula, implicando num fluxo difusivo também praticamente nulo.
Potencial de ação
Consiste na rápida despolarização e, depois, a repolarização do potencial de membrana de uma célula excitável. É o mecanismo básico de transmissão de informação no sistema nervoso e nos músculos.
Conceitos
Despolarização: tornar a membrana "menos negativa" que o potencial de repouso.
Hiperpolarização: tornar a membrana "mais negativa" que o potencial de repouso.
Corrente de influxo: fluxo iônico de cargas positivas de fora para dentro da célula, causando uma despolarização.
Corrente de efluxo: fluxo iônico de cargas positivas de dentro para fora da célula, causando uma hiperpolarização.
Potencial Limiar: potencial de membrana no qua a ocorrência do potencial de ação é invitável (Influxo > exfluxo) (ver resposta de tudo ou nada).
Pico de potencial de ação (ultrapassagem): fase onde o potencial de membrana é positivo (interior da membrana é positivo). 
Pós potencial hiperpolarizante: ocorre após a repolarização, quando o potencial de membrana fica mais negativo que o de repouso.
Período refratário: período em que outro potencial de ação normal não pode ser iniciado em célula excitável.
Características do Potencial de Ação
Amplitude e formato estereotípicos: cada potencial de ação normal parece idêntico, despolariza até o mesmo potencial e repolariza novamente ao mesmo potencial de repouso.
Propagação: um potencial de ação provoca a despolarização aos sítios adjacentes, levando-os ao limiar, e assim por diante, mantendo então a amplitude do potencial de ação. Caso contrário, ele iria "se perdendo" a medida que fosse propagado.
Resposta de tudo ou nada: ou o potencial de ação ocorre (quando atinge o limiar) ou não ocorre (quando não atinge o limiar ou se encontra no período refratário.
Sequência dos eventos
Estímulo > ativação das comportas dos canais de sódio > abertura de canais de sódio > influxo de sódio > potencial de membrana chega ao limiar > ativação de canais de sódio voltagem-dependentes > aumento do influxo de sódio > despolarização da membrana > potencial de ação > abertura de canais de potássio voltagem-dependentes > efluxo de potássio > repolarização > hiperpolarização> pequana despolarização > potencial de repouso atingido.
Obs.: no pico do potencial de ação, a comporta de inativação, que é mais lenta, se fecha e inicia a faze de repolarização.
Perído Refratário Absoluto
Se sobrepõe, quase que completamente, à duração do potencial de ação. A base para seu funcionamento são as comportas de inativação. Nesse período, outro potencial de ação não pode ser provocado, independente da intensidade do estímulo.
Período Refratário Relativo
Ocorre principalmente durante a fase de pós potencial hiperpolarizante. Nesse período, o potencial de ação poderá ser provocado, mas apenas se a corrente despolarizante for maior que o normal. Isso se dá porque nessa fase a condutância do K+ está maior do que o usual, necessitando então um maior estímulo para provocar a despolarização.
Acomodação
A sustentação de uma despolarização lenta fecham as comportas de inativação de Na+. Dessa forma, novas correntes de influxo não poderiam ocorrer. Em casos de Hipercalemia, com aumento da concentração sérica de K+, a membrana das células despolarizam. Acreditava-se que isso facilitaria a chegada ao limiar mas, na verdade, essa sustentação da despolarização torna uma célula menos provável a disparar o potencial.
Propagação dos Potenciais de Ação
Ocorre por meio de dispersões de correntes locais para os segmentos adjacentes, garantindo a manutenção da amplitude do potencial de ação.
Velocidade de Condução
Dada por constantes de tempo e comprimento, chamadas de propriedades de cabo.
A constante de tempo (τ) é a quantidade de tempo transcorridoapós a injeção de corrente para a variação do potencial até 63% do seu valor final. É a velocidade de despolarização da membrana em resposta ao influxo, e a rapidez da hiperpolarização da membrana em resposta ao efluxo.
τ = RmCm
Rm = resistêcia da membrana
Cm = capacitância da membrana
Obs.: se a capacitância, ou capacidade de armazenamento de cargas, for alta, então haverá maior dificuldade em descarregar o potencial de membrana antes de despolarizá-lo.
A constante de comprimento (λ) é a distância, a partir do ponto de injeção da corrente até ondo o potencial caiu a 63% do seu valor original. Quanto maior a constante de comprimento, maior a dispersão da corrente pela fibra nervosa.
λ = raiz quadrada de Rm/Ri
Rm = resistência da membrana
Ri = resistência interna (citoplasma)
Quando o diâmetro do nervo é grande, então, a resistência da membrana e a interna são baixas. A corrente segue o caminho de menor resistência.
Alterações na Velocidade de Condução
Aumento do diâmetro do nervo: o aumento da seção transversal causa diminuição da resistência interna. A constante de comprimento é maior quando a resistência inetrna é menor (fibras mais calibrosas). Sendo assim, existe uma aumento da velocidade de condução.
Mielinização: aumenta a resistência da membrana e diminui a capacitância. A maior resistência da membrana força a corrente a fluir pela via de menor resistência, interior ao axônio. A diminuição da capacitância diminui a constante de tempo, aumentando então a despolarização da membrana nos nodos de Ranvier. Essa interrupção na bainha de mielina é necessária para "repetir" (propagar) o impulso, mantendo sua amplitude. Nesse sentido, esse processo é chamado de condução saltatória. Sendo assim, existe um aumento na velocidade de condução (na ordem de 100x).
Impulso nervoso e Sinapse
	O impulso nervoso é um sinal elétrico com o qual os neurônios se comunicam. Ele se inicia quando um estímulo chega à membrana celular do neurônio, provocando a abertura de canais de sódio. Com isso, ocorrerá o influxo de sódio, fazendo com que o meio intracelular comece a ficar mais positivo. Quando esse valor atingir um limiar, canais de sódio voltagem-dependentes irão se abrir, invertendo a carga do potencial membrana, provocando uma despolarização. Com isso, é gerado um potencial de ação, que irá ser propagado ao longo do axônio e trasnmitido para outro neurônio através da sinapse. A sinapse pode ser química ou elétrica.
	Na sinapse química, o final do axônio (botão axônico) possui vesículas repletas de neurotransmissores, moléculas essenciais para a comunicação entre neurônios. Quando o impulso nervoso chega ao botão axônico, canais de cálcio se abrem e ocorre o influxo desse íon, que irá se ligar e romper as vesículas, o que provoca a liberação de neurotransmissores na fenda sináptica. A seguir, esses neurotransmissores se ligam à proteínas receptoras na célula pós sináptica, promovendo a abertura ou fechamento de canais iônicos, o que irá resultar ou em uma ação excitatória ou inibitória.
	Nesse momento, a abertura de um canal gera um potencial excitatório pós sináptico, que é despolarizante. O impulso nervoso, então, continua a ser propagado.
	Por outro lado, o fechamento de um canal gera um potencial inibitório pós sináptico, que é hiperpolarizante. O impulso nervoso, então, para de ser propagado.
	Na sinapse elétrica, a trasmissão do impulso será feita através das junções comunicantes (gap junctions). Nesse caso, haverá um retardo nulo da transmissão, fazendo com que ela ocorra em uma velocidade maior comparada à sinapse química. A presença da sinapse elétrica é mais comum na musculatura lisa e cardíaca.